基于GIS的远安县松材线虫病入侵松林传播规律分析

2021-07-25敬顺华陈玉萍刘海玲周勇彭艳红王欢肖正利

湖北林业科技 2021年1期

敬顺华陈玉萍刘海玲周勇彭艳红王欢肖正利

摘要：運用区域松材线虫入侵受害松林空间地理基础数据，基于ArcGIS软件平台空间分析工具，对松材线虫病侵染源数据库采用最近邻指数、标准差椭圆、核密度分析方法，定量和模拟地反映松材线虫病在空间的扩散情况，揭示松材线虫病侵染源空间分布格局、空间传播模式、传播方向的时空转移及其分异规律、及其影响因素，有助于松材线虫病防控措施提供科学依据。结果表明：①研究区域松材线虫侵染源数量和程度分布有较明显差异，且散布分布，存在一定数量侵染源，具有扩散的趋势。②侵染源最近邻指数，受害松林空间分布格局为聚集分布，松材线虫病自然传播下以侵染源点中心向周围呈放射状蔓延。③标准差椭圆定量分析表明该区侵染源传播方向为东南方向西北方向扩散，呈现面状扩散模式，较为分散区域侵染源表现为受人为活动传播影响较大。④侵染源核密度分析结果表明松林受害主要呈现点聚集分布，类似于热力点，具有小班内部中心扩散和向外围小班扩散特征，放射状蔓延模式，与最近邻分析松材线虫病发生特征为集聚分布表现一致。该区域松材线虫病危害程度轻微，可防可控，可在空间格局上阻挡疫点，减少侵染源，并控制人为活动造成传播直至根除。

关键词： GIS;松材线虫病;空间分布;远安县

中图分类号：S763.11 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2021）01-0033-07

Gis-based Analysis on the Transmission Law of Invasive Pine Wood Nematode in Yuanan County

Jing Shunhua Chen Yuping Liu Hailin Zhou Yong Peng Yanhong Wang Huang Xiao Zhengli

（Forestry Bureau of Yuanan County Yichang 444200）

Abstract： Use area were worm intrusion suffer pine space geographic data，based on ArcGIS software platform for spatial analysis tools，Bursaphelenchus xylophius were reported in the source of infection database USES the nearest neighbor index，standard deviation ellipse，kernel density analysis method，quantitative and simulation of Bursaphelenchus xylophius were reported in reflect in the diffusion of space，pine wood nematode were reported in revealing the source of infection spread spatial distribution pattern，spatial pattern，the direction of propagation of transfer and its distribution rules of time and space，and its influencing factors，forest pest fields to provide a scientific basis for prevention and control measures.The results show that：①there were obvious differences in the distribution of the number and degree of infection sources of Bursaphelenchus xylophius in the towns and villages in the study area，and the distribution showed that there were a certain number of infection sources with a tendency of diffusion.②The nearest neighbor index R<1 of the infection source showed that the spatial distribution pattern of the affected pine forest was clustered.Under the natural transmission of Bursaphelenchus xylophius，the infection source point center radially spread to the surrounding area.③the standard deviation ellipse quantitative analysis shows that the transmission direction of infection sources in this region is southeast and northwest，showing a planar diffusion pattern.④the results of nuclear density analysis of infection sources showed that the victims of pine forest mainly showed the aggregation distribution of points，similar to thermal points，with the characteristics of central diffusion within a small group and diffusion to the periphery of a small group，and the pattern of radial spread was consistent with the aggregation distribution of the occurrence characteristics of disease in the analysis of the nearest neighbor.The damage of Bursaphelenchus xylophius in this region is slight，which can be controlled and prevented.In the spatial pattern，the epidemic point can be prevented，the infection source can be reduced，and the spread caused by human activities can be controlled until eradicated.

Key words： GIS;Bursaphelenchus xylophius;spatial distribution;Yuanan County

松材线虫病，即松树萎蔫病，其病原——嗜木伞真滑刃线虫Bursaphelenchus xylophius[1]，是一种在一定的自然环境条件下，通过媒介昆虫松褐天牛M.alternatus，又名松墨天牛[2]、云杉花墨天牛M.saltuarius、白点墨天牛M.scutellatus、卡罗莱纳墨天牛M.carolinensis、南美松墨天牛M.titillator和松褐斑墨天牛M.mutator成虫的被携带传递、接种、取食、侵入寄主健康松树体内，导致松树短时间内迅速死亡并引起的具有毁灭性的林业有害生物;松树一旦感病很难治愈，最快的40多天即可枯死，扩散蔓延迅速，因而被称为松树的“癌症”[3，4]。2006年该病疫情传入宜昌地区[5]，经人为经济活动与相邻县（市、区）自然扩散传入远安，2012年首次在该县荷花镇田家场村松林中检测出松材线虫。2019年1月被国家林业和草原局公告为疫区[6]，该区域松材线虫媒介昆虫以松褐天牛成虫携带传播，危害对象为马尾松Pinus massoniana，马尾松是亚热带典型森林类型，松林群落在该区域是森林顶级群落之一，也天然分布最广的森林类型;松材线虫病的发生对该区域林业生态环境及森林资源安全构成了严重威胁。近10年来，关于该病的发生发展规律、传播途径、防治措施涌现了大量研究，涉及从分类到防治的方方面面，在病原、媒介、基因、行为以及共生菌等诸多领域[1]，但是防控总体情况没有实际突破，花费了大量的人力物力。

因此，研究松材线虫传播的空间分布格局，实行GIS空间管理与分析，有助于揭示松材线虫病的扩散规律分析，助力松材线虫病疫情防控提供辅助技术支撑，本研究基于ArcGIS软件平台，在收集受害松林空间位置基础数据，对其传播扩散空间分布数据定量化、数据建模、模拟分析，为松材线虫的生态控制、入侵，综合治理和防治、监测、防控和决策提供理论依据，以期遏制松材线虫病的扩散蔓延。

1 材料方法

1.1 研究区域概况

远安县（30°53′08.12″～31°22′34″N，北纬111°14′34.5″～111°52′41″E）位于湖北省长江中、上游鄂西北，居宜昌市之东北，系鄂西北山地向江汉平原过渡地带，海拔76～1 325 m，平均海拔500 m，整个地势为西北高，东南低。太平顶为最高峰，差异较大，主体为有山地、以中低山为主构成地貌的主体，有河谷等多种地貌。该区域属亚热带型大陆季风气候区，气候适宜，雨量充沛，年平均降水量1 000～1 100 mm，7～8月份降水较为集中，降水季节分配不均，年均蒸发量1 300 mm，气候四季分明，年平均气温12～16 ℃，年太阳辐射80～108 kCal/cm2，≥10 ℃活动积温3 700～4 900 ℃，日照充足，无霜期长，年日照时数1 830 h，无霜期210～250 d;年平均相对湿度78.5%。

该区域国土面积17.52×104 hm2，森林面积13.875×104 hm2，森林覆盖率75.6%，森林植被类型为亚热带落叶阔叶林，属国家天然林资源保护工程范围，现状森林植被类型主体为落叶阔叶混交林，其中以壳斗科Fagaceae物种组成植被为主体森林群落。区域森林松科植物主要为马尾松，占26.5%，阔叶混交林占67.0%，其它占6.5%;马尾松林呈纯林和混交分布;马尾松在森林植被类型上占有一定的生态空间与分布范围，地理分布为松材线虫病的发生发展提供了良好条件。

该县辖6个镇1乡117个村（居委会），总人口19.5万人，县域交通发达，经济活跃，人为干扰对松材线虫传播影响较大。

松材线虫入侵马尾松林致病力强、死亡速度快、死亡量大、传播扩散快，猝不及防，治理难度大，造成了严重的经济和生态损失，该区域2020年度直接用于松材线虫病的防治经费近1 000万元以上，木材产品和生态经济损失达3 000万以上，该病不仅给国民经济造成重大损失，也破坏了自然景观和生态环境，对松林资源构成严重威胁。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 數据来源

收集受害死亡松树除治位置空间信息，以林地变更暨森林资源动态监测小班数据库（*.SHP格式）图层为基础底图，经过Arcgis软件平台提取其相应的空间位置、管理因子、立地因子、生态因子、林木因子，建立松材线虫病疫情管理图层，可导入安卓系统GIS软件平台，可用于外业疫情普查、除治现场监督、检查验收，基于病枯木位置与株数以小班为单位所汇集成面图层数据库，为了便于数据分析，小班数据库点面图层之间相互转换;每个点（小班）作为一个疫点（或侵染源、疫源），采用点模式分析，点模式分析可以用来描述任何类型的事件数据[7]。

1.2.2 研究方法

建立松材线虫病疫情数据库基础上，运用平均最近邻（Spatial Statistics）、方向分布（标准差椭圆）（Spatial Statistics）、核密度（KernelDensity）分析方法[7～10]，空间信息图制作与计算采用ArcGIS10.8和Microsoft Excel 2010软件统计分析。

（1）平均最近邻指数（NNI）。用最近邻点之间的距离描述空间分布模式，判断点要素空间分布特征和空间格局特征的空间计量方法，该要素对象为疫点的集合，测量每个疫点质心与其最近邻疫点的质心之间的距离，计算最近邻距离的平均值，可计算区域内任意一疫点与最邻近疫点距离dmin，取平均值得到实际最近距离min，与随机分布模式理论最邻近距离E（dmin）比较，得到最近邻指数R，如果R=1，说明该事件分布模式属于随机分布;R<1，说明事件分布模式属于聚集分布;R>1，则表现的模式趋向于扩散。计算公式：

R=minE（dmin）=∑ni=10.5A/n （1）

式中：di为疫点i与最邻近疫点之间的距离、A为区域面积（以系统默认面积，数据最小外接矩形决定）、n为疫点（小班）个数、dmin为最邻近距离，min平均距离。

（2）空间方向分布（标准差椭圆SDE）。空间方向分布（标准差椭圆）是分析空间分布方向性特征的经典方法之一，标准差椭圆的大小反映空间格局总体要素集中程度，偏角（长半轴）反映主导方向;标准差椭圆，可以从椭圆中心、分布范围、方向和形状等多个角度分析疫点空间分布特征及空间演变，该方法可建模疫点空间分布特征及空间传播方向演变。计算公式：

式中：xi和yi是疫点i的坐标，，代表疫点的平均中心，n为疫点的总数;i和i是平均中心和xy坐标的差;σx、σy为x、y轴的标准差。

（3）核密度分析（KDE）。核密度分析用于计算要素在其周围邻域中的密度分布，是空间分析中运用广泛的非参数估计方法，广泛用于地理空间分布研究，核密度是基于研究对象本身分布特征的空间分析方法[8，9]，能直观的表现研究对象的分布密度，核密度值的高低代表研究对象在空间分布上的集聚程度[11]。该方法可用于疫点受害松林空间分布形态进行分析，计算任意区域半径范围内受害松林发生株数值的密度。计算公式：

Density=1（radius）2∑ni=13πpopi（1-（distiradius）2）2disti

式中：i=1，…，n是输入疫点位于（x，y）位置的半径距离内，包括总和中的疫点;popi是i点的population字段值参数，该字段参数为小班内受害松树死亡数量值，disti是侵染源点i和（x，y）位置之间的距离。

2 结果分析

2.1 松材线虫病发生基本情况

基于地面受害死亡松树空间位置，运用空间连接（SpatialJoin）工具将受害死亡松树点所汇集成点、面图层;通过分析、计算、绘制空间信息图。由计算所得结果表1、图1～3分析，2020年（去冬今春），该区域松材线虫入侵受害松林面积2345.57 hm2，疫点（小班、侵染源）个数1976个，小班松林危害程度1～800株，整体危害程度为轻微，全年清理病（枯）死松科植物数量12.44×104株，包括：病死松树、其它死亡松树（濒死、自然、灾害等）一并全部清理，损失木材蓄积量1.5×104 m3以上，木材处置方式为现场焚烧，受害松林严重区域分布在花林寺镇、茅坪场镇。

该区域松材线虫病发生范围分布7个乡镇83个村，传播途径为自然传播和人为传播，自然传播主要是通过媒介昆虫松褐天牛成虫携带松材线虫传播到健康松树;人为传播主要是带有松材线虫和传播媒介的病材、松枝及其加工品等通过人工、运输工具等搬运到另一个地区、农户有砍伐松树烧松柴习俗、县内木材流通运输、新建交通公路、通讯（电力）线路（基站）砍伐松树频繁、木材加工企业等，人为传播方式不受自然屏障限制，而且速度快，是最主要和最容易的传播方式。

2.2 空间传播分布特征

2.2.1 最近邻距离指数分析

运用最近邻分析工具（Average Nearest Neighbor），根据每个疫点预期最近疫点的平均距离来计算最近邻指数，预期平均距离是假设随机分布模式中，领域间的平均距离;最近邻分析指数计算结果值详见表2，疫点样本数1 976个，平均观测距离与预期平均距离的比率指数R=0.604，R<1;则表现的模式为聚集分布;对应的Z值得分-33.71，为负数，概率p=0，即呈现随机分布概率为0。结论表明松材线虫病致松林受害发生特征为空间分布模式为聚集分布;松材线虫病导致松树死亡特征为在林分中形成多个个体群，每个体群又向周围呈放射状蔓延扩散模式。

2.2.2 松材线虫传播空间方向分析

疫情的自然扩散，主要靠松褐天牛成虫携带松材线虫飞翔实现，材线虫病在纯松林内年自然扩散距离有限，在纯松林中一年的自然扩散距离在100 m左右[12]，由于松材线虫病在空间上的传播方向是各向异性的，自然传播方向具有不确定性，对松材线虫病疫情数据库方向分布（标准差椭圆）计算分析，可以揭示松材線虫病传播的中心趋势、离散和方向趋势。将疫点分析，所得计算结果图4，疫点数据库标准差椭圆分析模型图，椭圆的长轴表示侵染源传播的主要方向，短半轴表示侵染源分布的范围;短半轴越短，长半轴长，表示数据呈现的向心力越明显，即传播扩散距离越长;反之，短半轴越长，长半轴短，表示数据的离散程度越大，即传播蔓延扩散范围较广;大椭圆表示区域整体侵染源传播方向，东南至西北;图像结果显示疫情传播方向主要集中在县域东部茅坪场镇和花林寺镇边界区域，由东南方向向西北方向传播，传播扩散至县域中心;中心点表示了整个数据的中心位置——旧县镇，但不是由中心扩散、存在传播蔓延风险;7个小椭圆分别代表7个乡镇侵染源传播方向与范围;外围区域存在多个方向向内部传播扩散蔓延风险;从中心椭圆定量分析，轮廓椭圆内的区域为松材线虫病发生较为重区域。

2.2.3 核密度分析

根据受害松林株数密度分布特征，通过多次设定不同距离阈值，发现距离半径（R）1 km时效果最为理想，采取扩散距离阈值半径（R）1 km，搜集每个疫点之间半径1 km范围受害松林株数，计算区域密度，制作核密度分布图，比较受害松林株数密度变化情况、扩散趋势，区域分级、分布变化;所得结果图5分析，结果发现：荷花镇、花林寺镇、鸣凤镇、茅坪场镇分布的高密集区，且密度区域侵染源较多，散布分布，传播风险较大;密度图显示大部分受害松林株数值分布密度在251～500株;花林寺镇密集区分布较高，个别侵染源（小班、点）1 km半径内达到2000株以上，松林受害程度较大;密度图类似于热点图，即一个热点向周围聚集扩展，与最近邻分析松材线虫病发生特征为集聚分布结果一致;该密度分布图可作为松材线虫入侵疫情危害程度分区的依据。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文以远安县松材线虫病疫情受害松林空间数据为例，运用GIS空间管理与数据分析，直观阐述了松材线虫病发生的空间分布格局趋势的演变;运用最近邻指数、空间方向分布（标准差椭圆）、核密度方法模拟分析，模拟反映松材线虫病侵染源在空间格局的扩散传播模型，传播方向的时空转移及其分异规律、该方法可扩大数据区域范围、叠加历年数据分析，有助于制定优化松材线虫病防控措施提供科学依据，该区域材线虫病入侵传播规律特征为：

（1）该区域松材线虫病疫情危害松林发生的区域、范围、疫点（侵染源、小班）存在一定数量，局部疫点受害松林株数密度较高，全部乡镇为疫区，不同区域和松林受害程度分布情况存在明显差异，松林受害数量较多乡镇（茅坪场镇、鸣凤镇、花林寺镇）呈现进一步扩散蔓延的发展趋势;整体来看，危害程度轻微，加之各年度采取了松树病枯死木清理与综合防治措施，通过逐步减少侵染源，松材线虫病可防可控。

（2）松材线虫病疫点最近邻指数R=0.604，R<1，侵染源自然传播致松林受害空间分布格局为聚集分布;在空间格局上，可采取阻挡疫点扩散，减少侵染源，控制人为活动传播的方式进行防控直至根除。

（3）方向分布（标准差椭圆）定量反映松材线虫病发生的空间格局特征，模拟传播趋势，揭示其空间格局和分布规律;该疫情的传播中心及其方向分布的定量的反映在空间上真实的扩散情况。松材线虫传病扩散蔓延方式上分为自然传播和人为传播，自然传播与昆虫的分布、迁飞、扩散、发育生长和繁殖等的信息息相关。方向分布结果表明，该区域松材线虫病自然传播下由侵染源中心向周围呈放射状蔓延，呈现面状连续性扩散模式;松材线虫病一年的自然扩散蔓延距离是缓慢发展，而较为分散区域疫点和跳跃式疫点人为活动传播作用较大;在嫘祖镇、洋坪镇、河口乡人为活动传播作用较大，存在跳跃式疫点;从防治措施上，应该最大限度的控制人为活动造成松材线虫病传播。

（4）核密度分析搜索了整个区域疫点半径（R）1 km范围受害松林株数，图像显示侵染源受害松林株数密度在251～500株，受害松林主要呈现点状分布，疫点区域类似于热力点图，具有小班内部中心扩散和向外围小班扩散特征，放射状蔓延模式，与最近邻分析松材线虫病发生特征为聚集分布表现一致。

3.2 讨论

（1）将其疫情运用GIS空间管理是一种有效的管理方法和科学分析手段;本研究存在一定局限性，松材线虫病疫情的发生、流行与地理环境之间有着密切的关系，影响其传播扩散、蔓延的因子很多;其传播因素与媒介昆虫的密度、气候、环境因子、海拔、松林的密度、松林的分布、人为活动干扰相关，需要进一步叠加研究。

（2）松材线虫自然传播规律特点是以借助媒介昆虫松褐天牛的活动来完成，通过媒介昆虫松褐天牛从罹病木中羽化时携带出病死松树，侵染健康的松树;自然传播与松褐天牛地理分布及生活习性相关;松褐天牛通常飞行距离800～1 000 m，松材线虫病一年的自然扩散蔓延距离在100 m左右[13]，自然扩散有限，而是缓慢发展。上述研究结论表明，松材线虫侵染源致松林死亡自然传播分布格局为聚集分布，传播范围区域是连续性，按传播距离与扩散模型，通过采取在传播空间上阻挡疫情、隔离与清除疫点，减少侵染源，可控制疫情;而分散区域和跳跃式疫点、疫区分布不连续，疫情扩散蔓延迅速，人为活动传播作用较大，松木制品运输人为远距离传播是松材线虫病蔓延的主要途径，人为活动传播是普遍共性传播途径;相关研究从分子水平也揭示人为远距离传播是松材线虫病蔓延的主要途径之一[13]。

（3）该区域松材线虫病防控通过松褐天牛综合防治年度使用药剂8万瓶，防治松树5万株、悬挂50个诱捕器诱捕监测;喷洒噻虫啉3 t、投放花绒寄甲成虫3万只、卵卡1万个，年综合防治面积800 hm2，所花费人力物力财力极高，难以达到理想效果;在病枯死木除治上，采取现场焚烧，对伐桩进行除害处理，以人力为主，耗费财力巨大，松材线虫病存在隔年发病和翌年枯死现象，地面活体松树无法判断确诊与是否感染，在短时间内很难达到病害木除尽，在防治除治措施效果上没有突破。

（4）该区域马尾松林是自然群落演替的顶层群落之一，属于亚熱带区系植被，具有广泛适应性，是区域常绿针叶乔木群落，又是单优势种群落，是中国主要材用树种，具有不可替代，马尾松易受松材线虫病感染的树种;松材线虫入侵，小到DBH<5 cm的幼树，上至百年古树，一旦感染无一幸免，即使感染树未达到死亡标准，也无法有挽救措施;松材线虫病防控措施上，目前国内还没有更好的防治方法与措施;松材线虫不会主动感染松树，需要松褐天牛携带才能传播入侵健康松树，防治措施下，要考虑到转移方向，可从传播媒介松褐天牛上减少传播媒介虫口密度，降低减少传染源，森林经营调节松树密度，培育建立阔叶林生态系统，调整和建立合理的树种结构，达到防范松材线虫病效果，在防治除治措施上，控制人为活动传播，加大疫木的清理力度、空间上阻挡疫点、通过逐年减少疫点，阻止疫情扩散。

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